SÜREKLİ ELYAF TAKVİYELİ TERMOPLASTİK

i

SÜREKLİ ELYAF TAKVİYELİ TERMOPLASTİK KOMPOZİT MALZEME ESASLI ÇOK HAFİF SANDVİÇ PLAKLARIN SONLU ELEMANLAR ANALİZ YÖNTEMİ

VE DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ Aslıhan HAYIRKUŞ

ii T.C.

BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

SÜREKLİ ELYAF TAKVİYELİ TERMOPLASTİK KOMPOZİT MALZEME ESASLI ÇOK HAFİF SANDVİÇ PLAKLARIN SONLU ELEMANLAR ANALİZ

YÖNTEMİ VE DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ

Aslıhan HAYIRKUŞ 0000-0003-2818-3198

Prof. Dr. Murat YAZICI (Danışman)

YÜKSEK LİSANS TEZİ

OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

BURSA – 2021 Her Hakkı Saklıdır

v ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

SÜREKLİ ELYAF TAKVİYELİ TERMOPLASTİK KOMPOZİT MALZEME ESASLI ÇOK HAFİF SANDVİÇ PLAKLARIN SONLU ELEMANLAR ANALİZ

YÖNTEMİ VE DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ

Aslıhan HAYIRKUŞ

Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı

Danışman: Prof. Dr. Murat YAZICI

Otomotiv endüstrisi ve havacılık sanayisinde ağırlık azaltma çalışmalarının hız kazanması ile üretimde hafif sandviç yapıların kullanımı artmaktadır. Bu gibi yapıların kullanılabilmesi için ağırlık azaltılırken mukavemet değerlerinin düşmemesi ve işlenebilirlik, geri dönüşüm, maliyet gibi parametrelerin de istenilen özelliklerde olması gerekmektedir. Sürekli elyaf takviyeli termoplastik malzemeler ise özgül mukavemet özelliklerinin yüksek olması ve geri dönüştürülebilir özellikleri sebebiyle hafif malzemeler arasında en çok tercih edilen polimer malzemelerdendir. Bu çalışmada sürekli elyaf takviyeli termoplastik kompozit malzeme kullanılarak sandviç üretimi yapılmıştır. Farklı çekirdek geometrilerine sahip kompozit sandviç yapıların üç nokta eğilme ve bası testleri yapılmıştır. Yapılan testler sonucunda sandviç yapıların mekanik özellikleri incelenmiştir. Sonlu elemanlar analiz yönteminde kullanılması amacıyla sandviç üretiminde kullanılan yapıştırıcı malzemenin mekanik özellikleri bulunmuştur.

Son olarak sonlu elemanlar analiz yöntemi kullanılarak farklı çekirdek geometrisine sahip sandviç yapıların dayanım karşılaştırılması yapılarak uygulanan testler doğrulanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Çok hafif sandviç plak, çekirdek geometri, termoplastik kompozit plaka, yapıştırıcı test karakterizasyonu, sonlu elemanlar analizi

2021, xiii + 69 sayfa.

vi ABSTRACT

MSc Thesis

FINITE ELEMENT ANALYSIS AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF CONTINUOUS FILAMENT THERMOPLASTIC COMPOSITE MATERIAL BASED

ULTRA- LIGHTWEIGHT SANDWICH PLATES

Aslıhan HAYIRKUŞ

Bursa Uludağ University

Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Automotive Engineering

Supervisor: Prof. Dr. Murat YAZICI

With the acceleration of weight reduction efforts in the automotive industry and aviation industry, the use of lightweight sandwich structures in production is increasing day by day. In order for such structures to be used, the strength values should not decrease while the weight is reduced, and the parameters such as workability, recycling and cost should be in the desired properties.Continuous fiber reinforced thermoplastic materials are among the most preferred polymer materials among lightweight materials due to their high specific strength properties and their recyclable properties. In this study, sandwich production was made using continuous fiber reinforced thermoplastic composite material.

Three-point bending and compression tests of composite sandwich structures with different core geometries were performed. As a result of the tests, the mechanical properties of the sandwich structures were examined. In order to be used in the finite element analysis method, the mechanical properties of the adhesive material used in the sandwich production were found. Finally, the tests applied were verified by comparing the strength of sandwich structures with different core geometries using the finite element analysis method.

Key words: Ultra- lightweight sandwich plate, core geometry, thermoplastic composite plate, adhesive test characterization, finite elements analysis

2021, xiii + 69 pages.

vii TEŞEKKÜR

Hayatım boyunca benden desteğini esirgemeyen ve her türlü zorluğu paylaşarak aştığımız aileme, tez çalışmam kapsamında üretim ve testleri birlikte yaptığımız proje ekip arkadaşlarım Oğuzhan TAŞ ve Serhan OSMANOĞLU’ na, gereksinim duyduğumuz zamanlarda yardımlarını esirgemeyen Uygulamalı Mekanik ve İleri Malzemeler Araştırma Grubu üyesi hocalarım ve arkadaşlarıma, lisans ve yüksek lisans eğitimim süresince bilgi, birikim ve tecrübelerini bizlere aktararak her alanda gelişmemizi sağlayan danışman hocam Prof. Dr. Murat YAZICI’ ya teşekkürlerimi sunarım.

TÜBİTAK-ARDEB 1001 programı destekli 218M468 numaralı ve “ Kendi Kendine Makro Seviyede İyileşebilir Özellikli Yeni Hibrit Sandviç Panel Geliştirilmesi ve Statik, Anlık Dinamik ve Şok Yükleri Altında İyileşme Performansının İncelenmesi” başlıklı proje kapsamında tez konumu oluşturan kompozit sandviç yapı üretimi ve testleri için sağlanan desteklerden dolayı TÜBİTAK-ARDEB’e teşekkürlerimi sunarım.

Aslıhan HAYIRKUŞ 06/08/20211

viii İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET... v

ABSTRACT ... vi

ÖNSÖZ VE/VEYA TEŞEKKÜR ... vii

İÇİNDEKİLER ... viii

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ... x

ŞEKİLLER DİZİNİ ... xi

ÇİZELGELER DİZİNİ ... xiii

1. GİRİŞ ... 1

2. KURAMSAL TEMELLER VE KAYNAK ARAŞTIRMASI ... 2

2.1. Sandviç Panel ... 2

2.1.1. Sandviç malzeme mekaniği ... 3

2.1.2. Sandviç yapılara uygulanan test yöntemleri ve standartları ... 12

2.1.3. Testler sonucunda sandviç panellerde karşılaşılabilen hasarlar ... 17

2.2. Kompozit Malzemeler ... 18

2.2.1. Kompozit malzemelerin temel bileşenleri ... 18

2.2.2. Kompozit malzemelerin sınıflandırılması ... 20

2.2.3. Termoplastik kompozit malzemeler ... 24

2.2.4. Sürekli elyaf takviyeli kompozit malzemeler... 27

2.3. Yapıştırıcı Karakterizasyonu ... 28

2.3.1. Yapıştırıcı malzeme mekanik testi (bulk testi)... 29

2.3.2. Tek nokta bindirme testi (SLJ testi) ... 29

2.3.3. Çift taraflı ayırma testi (DCB testi) ... 31

2.3.4. Uç çentikli bükülme testi (ENF testi) ... 32

3. MATERYAL VE YÖNTEM ... 35

3.1. Yapıştırıcı Karakteristik Özelliklerinin (Cohesive Zone Parametrelerinin) Bulunması ... 35

3.1.1. Kalıp hazırlama ve üretimi ... 35

3.1.2. Katmanlı malzeme oluşturma ... 36

3.1.3. Deney numunelerinin hazırlanması ... 39

3.1.4. Cohesive zone testleri ... 40

3.2. Cam Fiber Takviyeli Polipropilen Kullanılarak Sandviç Malzeme Üretilmesi Ve Deneysel Olarak İncelenmesi ... 44

3. 3. Belirlenen Çekirdek Geometrilerinin Sonlu Elemanlar Analizleri ... 48

4. BULGULAR ... 52

4.1. Cohesive Zone Testleri Sonuçları ... 52

4.1.1. SLJ testi sonuçları ... 52

4.1.2. DCB testi sonuçları ... 54

4.1.3. ENF testi sonuçları... 56

4.2. Üç Nokta Eğilme Testi Ve Sonuçları ... 58

4.3. Bası Testi Ve Sonuçları ... 61

4.4. Sonlu Elemanlar Analiz Sonuçları ... 63

4.4.1. Üç nokta eğilme analizi sonuçları ... 63

4.4.2. Bası analizi sonuçları ... 65

ix

5. TARTIŞMA VE SONUÇ ... 67 KAYNAKLAR ... 68 ÖZGEÇMİŞ ... 70

x

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ

Simgeler Açıklama

A Kesit Alan

d Çap

E Elastisite Modülü

F Kuvvet

G Kayma Modülü

I Atalet Momenti

P Basınç

t Kalınlık

V Hacim

δ Şekil Değiştirme

ε Birim Şekil Değiştirme ρ Yoğunluk

σ Normal Gerilme

τ Kayma Gerilmesi

υ Poisson Oranı

Kısaltmalar Açıklama

SLJ Single Lap Joint

(Tek Nokta Bindirme)

DCB Double Cantilever Beam

(Çift Taraflı Ayırma)

ENF End-Notched Flexure

(Uç Çentikli Bükülme)

EN- ISO Europeane Norm- International Organization for Standardization (Avrupa Standartları- Uluslararası Standardizasyon Kuruluşu) ASTM American Society for Testing and Materials

(Amerikan Test ve Malzeme Derneği)

xi

ŞEKİLLER DİZİNİ

Sayfa

Şekil 2. 1. Tipik bir sandviç yapı gösterimi ... 2

Şekil 2. 2. Çekirdek yapıların sınıflandırılması ... 3

Şekil 2. 3. Sandviç konfigürasyonu ... 3

Şekil 2. 4. Kat numaralandırma sistemi ... 4

Şekil 2. 5. Çekirdek kalınlığının bir fonksiyonu olarak sandviç bükülme sertliğinin değişimi ... 5

Şekil 2. 6. Kesme yükü altında sandviç panel ... 7

Şekil 2. 7. Bir sandviç yapının kesit görünümü... 8

Şekil 2. 8. Yüzey plakalarındaki iç kuvvetleri gösteren serbest cisim diyagramı ... 8

Şekil 2. 9. Değişken eğilme momenti altında bir sandviç kirişin elemanı... 9

Şekil 2. 10. Çekirdek kayma gerilmesi hesaplarında dikkate alınan sandviç elemanlar 10 Şekil 2. 11. Sandviç yapı eğilme testi ... 12

Şekil 2. 12. Düz bası testi ... 13

Şekil 2. 13. Enlemesine bası testi ... 14

Şekil 2. 14. Çekme testi ... 15

Şekil 2. 15. Yapışma testi (soyma uygulaması) ... 16

Şekil 2. 16. Sandviç panellerde karşılaşılan hasar tipleri... 17

Şekil 2. 17. Değişik skalalarda arayüzler ... 20

Şekil 2. 18. Kompozit malzemelerin sınıflandırılması ... 21

Şekil 2. 19. EN ISO 527-2 standardına göre hazırlanan bulk testi numunesi ... 29

Şekil 2. 20. ASTM D1002 standardına göre hazırlanan SLJ numunesi boyutları ... 30

Şekil 2. 21. Yapıştırıcı hasar incelenmesi (Banea and Da Silva 2008) ... 30

Şekil 2. 22. ASTM D5528 standardına göre hazırlanan DCB numunesi boyutları ... 32

Şekil 2. 23. ASTM D7905 standardına göre hazırlanan ENF numunesi boyutları ... 33

Şekil 3. 1. Kalıp tasarımı ... 35

Şekil 3. 2. Üretilmiş kalıp parçaları ... 36

Şekil 3. 3. Kesilen kompozit malzemeler ... 36

Şekil 3. 4. Aseton ile yıkanarak kurumaya bırakılan malzemeler ... 37

Şekil 3. 5. Fırın içerisine yerleştirilmiş kalıp... 37

Şekil 3. 6. Optimum değerlerde üretilen numune ... 38

Şekil 3. 7. Numunenin mikroskop görüntüsü ... 39

Şekil 3. 8. Hazırlanan SLJ numunesi ... 39

Şekil 3. 9. Hazırlanan DCB ve ENF numuneleri ... 39

Şekil 3. 10. Test için çenelere bağlanan numune ... 40

Şekil 3. 11. Test yapılan çekme cihazı ... 41

Şekil 3. 12. Teste hazır olan numuneler ... 41

Şekil 3. 13. DCB testi... 42

Şekil 3. 14. DCB testi kamera çekimleri... 42

Şekil 3. 15. ENF testi ... 43

Şekil 3. 16. ENF test cihazı ve ekipmanlar ... 43

Şekil 3. 17. Kullanılan malzemelerin özellikleri ... 44

xii

Şekil 3. 18. Çekirdek yapı üretim metodu ... 45

Şekil 3. 19. Kompozit sandviç malzeme üretim metodu ... 45

Şekil 3. 20. Hazırlanan çekirdek yapı ve alt-üst yüzeyler ... 46

Şekil 3. 21. Üretilen sandviç numunesi ... 46

Şekil 3. 22. Üretilen üç nokta eğilme ve bası testi numuneleri ... 47

Şekil 3. 23. Testler için hazırlanan numunelerin çekirdek geometrileri ... 48

Şekil 3. 24. Üç nokta eğilme testi numunesi ... 49

Şekil 3. 25. Bası testi numunesi ... 49

Şekil 3. 26. Çekirdek geometrileri için ağ yapısı sonucu oluşan eleman sayıları ... 51

Şekil 4. 1. SLJ testi sonrası numuneler ... 52

Şekil 4. 2. SLJ testi sonucu oluşan kuvvet - deplasman grafiği ... 53

Şekil 4. 3. DCB testi sonrası numunede oluşan hasar ... 54

Şekil 4. 4. DCB testi sonrası oluşan kuvvet - deplasman grafiği ... 54

Şekil 4. 5. DCB testi sırasında video yardımıyla elde edilen hasar ilerleme görüntüleri 55 Şekil 4. 6. ENF testi sırasında video yardımıyla elde edilen hasar ilerleme görüntüleri 56 Şekil 4. 7. ENF testi sonrası oluşan kuvvet - deplasman grafiği ... 57

Şekil 4. 8. Üç nokta eğilme testi uygulaması ... 58

Şekil 4. 9. Numunede oluşan dalgalanma hasarı ... 58

Şekil 4. 10. Numunede oluşan kırılma hasarı ... 59

Şekil 4. 11. Çekirdek yapılarının üç nokta eğilme testi sonucu oluşan kuvvet - deplasman grafiği ... 59

Şekil 4. 12. Çekirdek yapılarının üç nokta eğilme testi sonucu karşılaştırılması ... 60

Şekil 4. 13. Üç çekirdek geometrisi için bası testi numuneleri ... 61

Şekil 4. 14. Çekirdek yapılarının bası testi sonucu oluşan kuvvet - deplasman grafiği . 62 Şekil 4. 15. Çekirdek yapılarının bası testi sonucu karşılaştırılması... 62

Şekil 4. 16. Üçgen çekirdek geometrisine sahip numunenin üç nokta eğilme analizi sonucu ... 63

Şekil 4. 17. Kare çekirdek geometrisine sahip numunenin üç nokta eğilme analizi sonucu ... 63

Şekil 4. 18. Altıgen çekirdek geometrisine sahip numunenin üç nokta eğilme analizi sonucu ... 64

Şekil 4. 19. Üçgen çekirdek geometrisine sahip numunenin bası testi analiz sonucu .... 65

Şekil 4. 20. Kare çekirdek geometrisine sahip numunenin bası testi analiz sonucu ... 65

Şekil 4. 21. Altıgen çekirdek geometrisine sahip numunenin bası testi analiz sonucu... 66

xiii

ÇİZELGELER DİZİNİ

Sayfa

Çizelge 2. 1. Termoset ve termoplastik malzemelerin genel özelliklerinin karşılaştırılması

... 22

Çizelge 2. 2. Bazı elyaf malzemelerin mekanik özellikleri ... 24

Çizelge 2. 3. Genel amaçlı termoplastiklerin bazı özellikleri... 26

Çizelge 2. 4. Mühendislik amaçlı termoplastiklerin bazı özellikleri ... 26

Çizelge 2. 5. Elyaf yönelimlerinin gösterilmesi ... 27

Çizelge 3. 1. Katman oluşturma işlemi sırasında karşılaşılan problemler ... 38

Çizelge 3. 2. Çekirdek yapılarına göre numune ağırlık ortalama değerleri ... 47

Çizelge 3. 3. Kompozit malzeme özellikleri ... 50

Çizelge 4. 1. Test sonucu hesaplanan kayma gerilmeleri ... 53

Çizelge 4. 2. Test sonucu hesaplanan mod I kırılma enerjileri ... 55

Çizelge 4. 3. Test sonucunda hesaplanan mod II kırılma enerjileri ... 57

Çizelge 4. 4. Üç nokta eğilme testi analiz sonuçlarının çekirdek geometrileri için karşılaştırılması... 64

Çizelge 4. 5. Bası testi analiz sonuçlarının çekirdek geometrileri için karşılaştırılması 66 Çizelge 5. 1. Çekirdek yapılarının karşılaştırılması ... 67

1 1. GİRİŞ

Günümüzde birçok alanda hafif yapılara yönelik çalışmalar artmaktadır. Yeni yapılan bu çalışmalarda düşük ağırlığın yanında düşük maliyet ve yüksek yük taşıma kapasitesine sahip olan malzemeler kullanılmaktadır. Termoplastik matrisli kompozit malzemeler bu talepleri karşılayabilecek formdadır. Ayrıca termoset kompozitlerle karşılaştırıldıklarında benzer mekanik özellikler gösterseler de geri dönüşüme elverişli olmalarıyla endüstriyel kullanımlarda daha cazip hale gelmektedirler.

Sürekli elyaflar, kompozit malzeme içerisinde yükün birçoğunu taşıyan, mukavemet ve sertlik özellikleri yüksek uzun liflerdir. Matris içerisinde kopma olmaksızın yerleştirilmesinden dolayı sürekli elyaf takviyeli kompozit malzemelerin elyaf yönüne dik olarak gelen kuvvetlere karşı dayanımları oldukça yüksektir.

Tüm bu özellikler göz önüne alındığında termoplastik matrisli sürekli elyaf takviyeli kompozit malzemeler, sahip oldukları yüksek spesifik rijitlik ve düşük ağırlık avantajlarından dolayı havacılık, makine ve otomotiv endüstrisinde sıklıkla tercih edilen malzemeler arasına girmeyi başarmıştır.

Sandviç yapılar ise günümüzde çok farklı uygulamalarda karşımıza çıkan malzeme türüdür. Bunun sebebi özgül bükülme sertliği, enerji emme kapasitesi ve ısı yalıtımı gibi özelliklerinin yüksek olmasıdır. Ancak tüm alanlarda olduğu gibi sandviç malzemelerde de hafif yapılara doğru eğilim gittikçe artmaktadır.

Bu tez çalışmasında sürekli elyaf takviyeli termoplastik matrisli kompozit malzemeler kullanılarak hafif sandviç yapı üretimine çalışılmıştır. Çalışmanın amacı, kompozit ve sandviç entegrasyonunu sağlayarak hafiflik parametresiyle birlikte rijitliği ve yük taşıma kapasitesi yüksek ve enerji sönümleme kabiliyetine de sahip bir malzeme üretimi yapmaktır.

2

2. KURAMSAL TEMELLER VE KAYNAK ARAŞTIRMASI

2.1. Sandviç Panel

Sandviç yapılar, yüksek mukavemete sahip yüzey tabakaları (kaplamalar) ile hafif çekirdek yapısının birleştirme elemanı (yapıştırıcı) kullanılarak oluşturulduğu kompozit malzemelerdir. Kompozit malzemeler sınıfında yer alıyor olmasının asıl nedeni farklı tür malzemelerin bir araya getirilerek istenilen özelliklerde yeni bir malzeme üretiliyor olmasıdır.

Tipik bir sandviç yapı üç elemandan oluşmaktadır (Şekil 2.1):

 Yüzey tabakaları,

 Çekirdek,

 Çekirdek ile yüzey tabakası arasındaki bağ (yapıştırıcı).

Şekil 2. 1. Tipik bir sandviç yapı gösterimi

Genel olarak üç katmandan oluşan sandviç yapıların çekirdek kısımları, sandviç malzemenin rijitliğini, yalıtım özelliğini, panel kalınlığını ve diğer mekanik özelliklerini sağlaması amacıyla tasarlanırken, dış yüzeyler farklı geometrik özellikler, renk ve dokularda üretilebilmektedir.

Çekirdek yapının temel amacı, tüm sandviç yapının bükülme sertliğini çok az ağırlık kazancıyla arttırmaktır.

3

Sandviç yapılar çekirdek malzeme ve geometrisine göre 4 temel sınıfa ayrılabilir. Şekil 2.2’de bu çekirdek yapıların özellikleri verilmiştir.

Şekil 2. 2. Çekirdek yapıların sınıflandırılması

2.1.1. Sandviç malzeme mekaniği

Sandviç malzemelerde üç temel yapısından biri olan çekirdek malzemesinin çoğu, anizotropiktir. Farklı yönlerde farklı sertlik ve mukavemetleri vardır. Çekirdeğin amacı, malzemeyi kesitin nötr ekseninden uzaklaştırarak sandviçin bükülme sertliğini arttırmaktır. Çekirdeğin sertliği (ve mukavemeti), genelde yüzey tabakalarınınkinden çok daha düşüktür.

Şekil 2. 3. Sandviç konfigürasyonu (Kassapoglou 2013)

4

Burada eksenel yük N ve kesme yükü V, iki yüzey tabakası arasında eşit olarak bölünür.

Sonuç olarak, Şekil 2.3'de gösterildiği gibi genel yükleme durumları için, birim genişlik başına uygulanan eğilme momenti M için eksenel kuvvet şu şekilde hesaplanır:

𝑁

=

𝑡_𝑐+𝑡_𝑓 (2.1)

Sandviç Eğilme Sertlikleri

Bir sandviç, çekirdeğin ihmal edilebilir sertlik ve mukavemet özelliklerine ve çekirdek kalınlığına eşit kalınlığa sahip başka bir kat olduğu bir laminat olarak kabul edilebilir.

A_ij uzama-kesme, B_ij uzama-bükülme ve D_ij eğilme-burulma olmak üzere rijitlikleri temsil eden matrisleri belirlemek için standart klasik katmanlı levha teorisi kullanılabilir.

Bu teoriye göre A,B ve D rijitlikleri şu şekilde yazılmaktadır:

A

= ∑

Q

(z

− z

)

B

= ∑

2

nk=1

(z

− z

)

D

= ∑

3

nk=1

(z

− z

)

Şekil 2. 4. Kat numaralandırma sistemi (Kassapoglou 2013)

5

Burada i,j = 1,2,6, toplam laminatın tüm n katlarıdır. z_k ve z_k−1 ise Şekil 2.4'de gösterildiği gibi katın üst ve alt z koordinatlarıdır.

Katmanlı levha teorisi için yazılan bu denklemlerde çekirdeğin varlığı A matrisini değiştirmez. Ancak B (toplam yerleşim asimetrik ise) ve laminat bükülme sertliğini ifade eden D matrislerini önemli ölçüde etkiler. Aynı yüzey plakalarına sahip bir sandviç malzeme için D matrisi Denklem 2.5’ deki gibi yazılmaktadır:

𝐷

= 2(𝐷

)

+ 2(𝐴

)

(

2

)

Denklem 2.5 kullanılarak, tüm sandviç için D11'in her bir yüzey tabakası için D11'e bölümü, değişen çekirdek kalınlığının bir fonksiyonu olarak belirlenebilir. Sandviç bükülme sertliğinin çekirdek kalınlığının bir fonksiyonu olarak değişimini gösteren grafik Şekil 2.5' te verilmektedir.

Şekil 2. 5. Çekirdek kalınlığının bir fonksiyonu olarak sandviç bükülme sertliğinin değişimi (Kassapoglou 2013)

Şekil 2.5’ten çok küçük çekirdek kalınlıklarının (5 mm) bile bükülme sertliğinde 1000 kat artışa neden olduğu görülebilir. Çekirdek ve yapıştırıcının varlığı nedeniyle ağırlıkta nispeten küçük bir artışta bu tür bir iyileştirme olması sandviç yapıyı yüksek burkulma yüklerinin önemli olduğu birçok uygulama için ideal hale getirmektedir (Kassapoglou 2013).

6 Sandviç Yapının Burkulması

Burkulma, özellikle büyük sandviç paneller için kritik arıza modlarından biridir. Ancak buradaki önemli nokta sandviç yapının burkulma yükünü belirleme prosedürüdür.

Çekirdeğin varlığı, enine kesmenin etkilerini çok önemli kılmaktadır. Bunlar uygun şekilde hesaba katılmazlarsa, tahmin edilen burkulma yükü çok korunumsuz olacaktır (enine kesme etkilerinin hesaba katıldığı durumdan daha yüksektir).

Sıkıştırma altındaki sandviç yapılar, geniş bir kiriş olarak kabul edilir ve burkulma yükü şu şekilde verilir:

𝑁

=

1+^{𝑘𝑁𝐸𝑐𝑟𝑖𝑡}

𝑡𝑐𝐺𝑐

(2.6)

Burada, 𝑡_𝑐 çekirdek kalınlığı ve 𝐺_𝑐 enine kayma rijitliğidir. 𝑁_{𝐸𝑐𝑟𝑖𝑡} ise enine kesme etkileri ihmal edilirse sandviçin burkulma yükü 𝑁₀’dır. Basit mesnetli kenarlar için Denklem (2.7) ile verilmiştir:

𝑁

=

𝑎²

[𝐷

𝑚

+ 2(𝐷

+ 2𝐷

)(𝐴𝑅)

+ 𝐷

𝑚²

]

Sandviç yapılar sıkıştırma altında olduğu gibi kesme altında da burkulmaya maruz kalabilmektedir. Basit mesnetli bir sandviçin kesme altında burkulmasını öngören denklemin formu, Denklem (2.6) ile aynıdır:

𝑁

=

1+^{𝑁𝑥𝑦𝑐}

𝑡𝑐𝐺45

(2.8)

7

Şekil 2. 6. Kesme yükü altında sandviç panel (Kassapoglou 2013)

Burada 𝑁_𝑥𝑦𝑐, enine kesme etkileri olmayan kesme burkulma yüküdür. 𝐺₄₅ ise Şekil 2.6’da gösterildiği gibi 45^° yönündeki çekirdek kesme modülüdür.

Birincil yük yönü ile hizalı olduğu için kesme modülü 𝐺₄₅ kullanılır. Saf kesme yüklemesi, bir yönde çekme ve diğer yönde sıkıştırma ile çift eksenli yüklemeye eşdeğer olduğundan bükülmüş yarım dalgaların oluşma eğilimi Şekil 2.6’daki 45^° çizgisi (maksimum sıkıştırma yönü) boyuncadır. Bu yöndeki çekirdek kesme sertliği olan 𝐺₄₅, bu eğilime karşıdır.

𝐺₄₅ standart tensör dönüşüm denklemlerini belirlemek için Denklem 2.9’deki gibi kullanılır:

𝐺

= 𝑠𝑖𝑛

45𝐺

+ 𝑐𝑜𝑠

45𝐺

=

2 (2.9)

Bunun sonucunda Denklem 2.8, Denklem 2.10’deki gibi yeniden yazılır (Kassapoglou 2013):

𝑁

=

𝑁𝑥𝑦𝑐 +2 (2.10)

8 Yüzey Plakaları ve Çekirdekteki Gerilmeler

Şekil 2. 7. Bir sandviç yapının kesit görünümü (Carlsson and Kardomateas 2011)

Saf bükülme yükleri altında bir sandviç malzeme ele alındığında çoğu çekirdek malzeme bükülme sertliğine önemli ölçüde katkıda bulunmaz. Böyle bir durumda Şekil 2.8'deki serbest cisim diyagramında gösterildiği gibi yüzey plakaları çekirdeğe göre ince ise, eğilme momenti M'nin, yüz tabakalarının merkezlerine etki eden eşit büyüklükteki iç gerilim ve sıkıştırma kuvvetleri tarafından dengelendiği kabul edilir.

Şekil 2. 8. Yüzey plakalarındaki iç kuvvetleri gösteren serbest cisim diyagramı (Carlsson and Kardomateas 2011)

Çekirdekteki eğilme gerilmeleri ihmal edilirse, Şekil 2.8'deki elemanın dengesi, yüzey plakalarındaki ortalama bir eğilme gerilmesini verir.

9

𝜎 =

𝑏𝑑ℎ_𝑓 (2.11)

𝑑 = ℎ

+ ℎ

burada d yüzey plakalarının ağırlık merkezleri arasındaki mesafe, ℎ_𝑐 ve ℎ_𝑓 sırasıyla çekirdek ve yüzey plaka kalınlıklarıdır ve b ise elemanın genişliğidir (Şekil 2.7).

Şekil 2. 9. Değişken eğilme momenti altında bir sandviç kirişin elemanı (Carlsson and Kardomateas 2011)

Bir sandviç kiriş, kirişin uzunluğu boyunca değişen bir eğilme momenti ile yüklenirse (Şekil 2.9), denge analizi, kiriş eksenine çapraz olarak etki eden bir kesme kuvvetinin olacağını gösterir. Bu kesme kuvveti V, Denklem 2.13’de verilmiştir.

𝑉 =

𝑑𝑥 (2.13)

10

Şekil 2. 10. Çekirdek kayma gerilmesi hesaplarında dikkate alınan sandviç elemanlar (Carlsson and Kardomateas 2011)

Çekirdeğe etki eden kesme gerilimi, 𝜏_𝑥𝑧, Şekil 2.10' un alt kısmında gösterilen 𝑚𝑚₁𝑎𝑏 elemanının denge hesabından elde edilir. Elemanın sol tarafına etki eden σ gerilmesinden kaynaklanan yatay (x ekseni) kuvvet Denklem 2.14’te verilmiştir.

𝐹

= 𝜎𝑏ℎ

=

𝑑 (2.14)

Elemanın sağ tarafına etkiyen yatay kuvvet ve ab kesitinde çekirdek yüzeyine etki eden kesme gerilmesinden kaynaklanan yatay kuvvet sırasıyla Denklem 2.15 ve Denklem 2.16’da verilmiştir.

𝐹

=

𝑑 (2.15)

𝐹

= 𝜏

𝑏𝑑𝑥

11

𝜏

=

𝑑𝑥 1 𝑏𝑑

=

𝑏𝑑 (2.17)

Denklem 2.17, ince yüz/uyumlu çekirdek varsayımlarına dayalı olarak hesaplanan çekirdekteki kayma gerilmesinin üniform (z koordinatından bağımsız) olduğunu gösterir.

Kesin analiz, kesme gerilmesinin, yüz/çekirdek arayüzlerinde V/(bd) değerinden dış yüz yüzeylerinde sıfıra neredeyse lineer olarak azaldığını ortaya koymaktadır. Denklem 2.15, kesmede güçlü olan bir çekirdek malzeme seçme ihtiyacını vurgulamaktadır. Ayrıca, düşük modüllü çekirdek malzemesi için çekirdekteki kayma deformasyonu aşırı olabilir ve sandviçin genel deformasyonunu yönetebilir. Bu nedenle, sandviç yapılarda aşırı kayma deformasyonunu önlemek için, yeterince yüksek kesme modülüne sahip bir çekirdek malzeme kullanılmalıdır (Carlsson and Kardomateas 2011).

12

2.1.2. Sandviç yapılara uygulanan test yöntemleri ve standartları

Eğilme Testi

Bükülmeye maruz kalan düz sandviç yapıların çekirdek kesme özelliklerinin belirlenmesini sağlayan test yöntemidir. ASTM C393 standardı bu test yöntemi için geliştirilmiştir. Şekil 2.11’de eğilme testine maruz kalan bir sandviç malzeme gösterilmektedir.

Şekil 2. 11. Sandviç yapı eğilme testi (ASTM-C393 2006)

Test sonrası sandviç malzemeye uygulanan maksimum kuvvet değeri alınarak nihai çekirdek kayma gerilmesi Denklem 2.18’deki gibi hesaplanır:

𝐹

=

(𝑑+𝑐)𝑏 (2.18)

𝐹_𝑠^𝑢𝑙𝑡: nihai çekirdek kayma gerilmesi, MPa [psi]

𝑃_𝑚𝑎𝑥: hasar öncesi max kuvvet, N [lb]

d: sandviç malzeme kalınlığı c: çekirdek kalınlığı

b: sandviç malzeme genişliği (ASTM-C393 2006)

13 Bası (Düz Sıkıştırma) Testi

Bu test yöntemi, sandviç malzemelerin basınç dayanımının ve modülünün belirlenmesini sağlamaktadır. ASTM C365 standardı bu test yöntemi için geliştirilmiştir. Bası testi uygulamasına ait bir görsel Şekil 2.12’ de verilmiştir.

Şekil 2. 12. Düz bası testi (ASTM-C365 2003)

Düz bası testi sonucunda nihai basınç dayanımı hesaplanması Denklem 2.19’ daki gibidir:

𝐹

=

𝐴

𝐹_𝑧^𝑓𝑐𝑢: Nihai düz basınç dayanımı, MPa [psi]

𝑃_𝑚𝑎𝑥: Hasar öncesi nihai kuvvet, N [lbf]

𝐴: Kesit alanı, 𝑚𝑚² [𝑖𝑛.²] (ASTM-C365 2003)

14 Enlemesine Sıkıştırma Testi

Bu test yöntemi, sandviç kaplama düzlemine paralel bir doğrultuda yapısal sandviç konstrüksiyonun sıkıştırma özelliklerini kapsamaktadır. ASTM C364 standardı ile test sonrasında sandviç malzemenin enlemesine basınç dayanımı bulunmaktadır. Şekil 2.13’de enlemesine bası testine ait bir görsel verilmiştir.

Şekil 2. 13. Enlemesine bası testi (ASTM-C364 2007)

Nihai enlemesine basınç dayanımı Denklem 2.20’deki gibi hesaplanır:

𝜎 =

𝑤(2𝑡_𝑠) (2.20)

𝜎: Nihai enlemesin basınç dayanımı, MPa [psi]

𝑃_𝑚𝑎𝑥: Hasar öncesi nihai kuvvet, N [lbf]

𝑤: Numune genişliği, mm [in.]

𝑡_𝑠: Tek bir facesheat kalınlığı, mm [in.](ASTM-C364 2007)

15 Çekme Testi

Bu test yöntemi, çekirdeğin, çekirdek ile yüzey arasındaki bağın veya monte edilmiş bir sandviç panelin yüzeyinin düz gerilme mukavemetini belirlemektedir. ASTM C297 standardı bu test yöntemi için geliştirilmiştir. Düz çekme testine Şekil 2.14’de gösterilmiştir.

Şekil 2. 14. Çekme testi (ASTM-C297 2020)

Nihai düz çekme mukavemeti hesaplanması Denklem 2.21’de verilmiştir:

𝐹

=

𝐴 (2.21)

𝐹_𝑧^𝑓𝑡𝑢: Nihai düz çekme dayanımı, MPa [psi]

𝑃_𝑚𝑎𝑥: Hasar öncesi nihai kuvvet, N [lbf]

𝐴: Kesit alanı, 𝑚𝑚² [𝑖𝑛.²] (ASTM-C297 2020)

16 Yapışma Testi

Bu test yöntemi, sandviç malzemedeki yapışkan bağların sıyrılma direncinin belirlenmesini kapsamaktadır. Test için ASTM D1781 standardı kullanılmaktadır. Şekil 2.15’de sandviç malzeme yapışma testi uygulamsı gösterilmektedir.

Şekil 2. 15. Yapışma testi (soyma uygulaması) (ASTM-D1781 2008)

Ortalama soyma torku hesaplanması Denklem 2.22’ deki gibidir:

𝐹̅ =

𝑊 (2.22)

𝐹̅: Ortalama soyma torku, mm*kg/mm [in.*lb/in.]

𝑟₀: Flanş yarıçapı (yükleme kayışlarının kalınlığının yarısı dahil), mm [in.]

𝑟_𝑡: Tambur yarıçapı + soyulmuş yapıştırıcının kalınlığının yarısı, mm [in.]

𝐹_𝑝: Yapıştırmayı bükmek ve soymak için gereken ortalama yük + direnç torkunun üstesinden gelmek için gerekli yük, kg [lb]

𝐹₀: Direnç torkunun üstesinden gelmek için gereken yük, kg [lb]

𝑊: Numune genişliği, mm [in.] (ASTM-D1781 2008)

17

2.1.3. Testler sonucunda sandviç panellerde karşılaşılabilen hasarlar

Sandviç malzemeler, testler sırasında veya herhangi bir zamanda bir darbeye maruz kaldıklarında hasara uğrarlar. Bu hasarlar yüzeylerde, çekirdekte veya yüzey-çekirdek arası bağlantılarda oluşabilir. Şekil 2.16’da bir sandviç malzemede oluşabilecek hasar tipleri gösterilmiştir.

Şekil 2. 16. Sandviç panellerde karşılaşılan hasar tipleri (Anon 2018)

Tip A - Yüzeye paralel çekirdek katları arasındaki delaminasyon Tip B - Dış yüzey ile çekirdek arasında kopma

Tip C - Kontrol yüzeyine paralel olarak çekirdek çatlaması Tip D - Paralel alanda çekirdek ezilmesi

Tip E - İç yüzey ve çekirdek arasında kopma Tip F - Petek çekirdeğinde sıvı girişi (Anon 2018)

18 2. 2. Kompozit Malzemeler

Kompozit kelime olarak, iki veya daha fazla parçadan oluşan bir malzeme anlamına gelmektedir. Kompozit malzemeler ‘makro ölçüde, birbirinden farklı iki veya daha fazla bileşenin bir ara yüzey boyunca bir araya gelmesiyle oluşan malzemeler’ şeklinde tanımlanabilir. Kompozit malzemeyi oluşturan bileşenler çoğunlukla özelliklerini korumaktadırlar.

Karışmaz olmaları nedeniyle malzeme içerisinde fazlar arası büyük miktarda ara yüzey oluşur. Kompozitlerde sürekli faza matris adı verilir. Kesintili (parçalı) veya elyaf (fiber) şeklindeki fazlar ise matrislerden ayrı bölgeler olarak malzeme içerisinde yer alır.

Kompozitler, orijinal malzemelerle elde edilemeyen özelliklere ulaşabilmek için iki malzemenin birleştirilmesiyle üretilir. Kompozit malzemeler ile elde edilmek istenen özellikler genellikle bükülmezlik, mukavemet, ağırlık, yüksek sıcaklık performansı, korozyon direnci, sertlik ve iletkenliktir.

2. 2. 1. Kompozit malzemelerin temel bileşenleri

Matris Malzemeleri

Kompozit yapılarda matrisin genel olarak görevi; takviye elamanlarını bir arada tutmak, yükü takviye elamanına dağıtmak ve takviye elemanını çevresel etkilerden korumaktır.

İdeal bir matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken daha sonra takviye elemanlarını sağlam ve uygun bir şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir (Asi 2008).

Kompozit malzeme içerisinde matrislerin görevleri aşağıda verilmiştir (Özer 2015).

 Matris malzeme takviye elemanlarını bir arada tutarak hareket etmelerini engeller.

 Kompozit malzemeye etkiyen dinamik ve statik yüklerin takviye elemanlarına eşit şekilde dağıtılmasını sağlar.

19

 Matris malzeme, kompozit malzemenin şeklini verir ve malzemenin katı formda kalmasını sağlar.

 Çevresel faktörlerden kaynaklanan fiziksel ve kimyasal zararlara karşı kompozit malzemeyi korur.

Takviye Malzemeleri

Takviye elemanının görevi, matris malzemesini takviyelendirerek, güçlendirerek, oluşan kompozit yapıya dayanım özellikleri kazandırmaktır. Takviye elemanı, kompozit üzerine etkiyen yükün büyük çoğunluğunu taşımaktadır. Yükün takviye elemanına iletilebilmesi için bileşenler arasında fiziksel ve kimyasal uyumun iyi olmasının yanında ara yüzey bağının da güçlü olması gerekir. Kompozit malzemede kalıcı yapısal gerilmelerin oluşmaması için, takviye elemanı ile matris elemanının ısıl genleşme katsayıları arasında da uyum olmalıdır.

Kompozit malzeme üretimde kullanılacak takviye elamanından, yüksek elastik modül, yüksek dayanım, düşük yoğunluk, kimyasal uyum, üretim kolaylığı ve ısıl direnç gibi özellikler istenmektedir (İşlek 2020).

Arayüz

Kompozit bir malzemede, matris ve takviye elemanlarının fiziksel, kimyasal veya mekanik olarak etkileştiği, gerilimi matristen takviye elemana transfer eden arafaz da denilen bir arayüz bulunmaktadır (Şekil 2.17). Bir kompozitte arayüz bölge, kompozitin son özelliklerini belirleyen elamanı olduğundan son derece önemlidir. Kompozitin verimli olabilmesi için fazların bir araya gelip yüzey arasında bağlanmaları gerekir.

20

Şekil 2. 17. Değişik skalalarda arayüzler (Beşergil 2016)

Matris ve fiber arasındaki yükün aktarımında arayüz kuvvetli olmalı, aşındırıcı veya paslandırıcı girişini azaltmalı ve bağlanmanın kopmasını kontrol edebilmelidir.

Kompozitin kesilmesi, bükülgenliği, darbe direnci, kırılmanın ilerlemesi ve fiberlerin dizilişleri gibi özellikler üzerinde de arayüzün önemli katkıları bulunur (Beşergil 2016).

Kompozit malzeme kuvvete maruz kaldığında, yük matris fazından yükü esas taşıyacak olan takviye fazına sağlam bağlanmış bir arayüz vasıtasıyla aktarılır. Malzeme bu bölgede ne matris fazı gibi ne de takviye fazı gibi davranır. Bu bölge her iki elemandan da farklı davranış sergiler. Yapıda kullanılan elyafların çapının küçülmesiyle arayüz bölgesi daha fazla önem kazanır (Türkoğlu 2020).

2.2.2. Kompozit malzemelerin sınıflandırılması

Kompozit malzemelerin sınıflandırılması takviye ve matris elemanının özelliğine göre olmaktadır. Bu sınıflandırma temel hatlarıyla aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

21

Şekil 2. 18. Kompozit malzemelerin sınıflandırılması

Matris Malzemesine Göre Kompozit Malzemeler

Kompozit malzemeler kullanım yerlerine ve üretim yöntemine göre metal, seramik ve polimer matrisler olarak sınıflandırılmaktadır.

Metal matrisli kompozit malzemeler; ana malzemeleri metal ve/veya metal alaşımına sahip kompozitlerdir. Bu kompozitlerde metal matris içerisine gömülen takviye elemanı, değişik geometrik yapıda olabilir. Metal matrisli kompozit malzemeler takviye edildikleri malzemelere bağlı olarak üstün özellikler gösterebilmektedir.

Seramik malzemeler, yüksek sıcaklığa dayanıklı ve hafif olduklarından dolayı seramik matrisli kompozit malzemeler genellikle yüksek sıcaklıkta çalışması gereken parçalar için tercih edilir. Ancak sert ve kırılgan oldukları için çok düşük süneklik ve tokluk özellikleri gösterirler ve ayrıca termal şoklara karşı da dayanıksızdırlar. Bu nedenle çoğunlukla liflerle takviye edilirler. Çok yüksek elastisite modülü ve çalışma sıcaklıkları, metallerin plastik şekil değiştirme özellikleriyle birleştirilerek aşınmaya dayanıklı ve gerilme mukavemeti yüksek kompozit malzemeler üretilebilir (Kaya 2016)^.

22

Polimer matrisli kompozitler ise rijitlik, dayanım, darbe özellikleri, aşınma dayanımı vb.

faktörlerden dolayı uçak sanayii, inşaat mühendisliği, gemi ve otomobil endüstrisi gibi birçok mühendislik uygulamalarında tercih edilen malzeme türlerinden birisidir (Asi 2008).

Kompozitlerde kullanılan polimer matrisler, termoset ve termoplastik olmak üzere ikiye ayrılır. Termoset ve termoplastik malzemeler arasındaki temel farklar Çizelge 2.1’de gösterilmiştir:

Çizelge 2. 1. Termoset ve termoplastik malzemelerin genel özelliklerinin karşılaştırılması (Şahin 2015)

TERMOSETLER TERMOPLASTİKLER

Düşük gerinmelerde kopar. Yüksek gerinmelerde kopar.

Raf ömrü sınırlıdır. Raf ömrü uzundur.

Yapışkandır. Yapışkan değildir, kullanımı kolaydır.

Kürleşme süresi uzundur. Proses zamanı kısadır.

Üretim sıcaklığı düşüktür. Üretim sıcaklığı ve viskozitesi yüksektir.

Çözücü direnci çok kötüdür. Çözücü direnci mükemmeldir.

Isı altında bozulur, geri dönüşüm yoktur.

Isıtma ve basınçta yumuşar, geri dönüşüme uygundur.

Örnek: Epoksi, Melamin, Bakalit, Silikon, Poliüretan (PUR)

Örnek: Poliamid (PA), Polikarbonat (PC), Polipropilen (PP), Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS), Polivinil Klorür (PVC)

23

Takviye Malzemesine Göre Kompozit Malzemeler

Takviye elemanının özelliğine göre kompozit malzemeler üç ana başlık altında aşağıdaki gibi sınıflandırılmaktadır:

1. Elyaf takviyeli kompozit malzemeler

 Sürekli elyaf takviyeli kompozit malzemeler

 Süreksiz (kesikli) elyaf takviyeli kompozit malzemeler

 Rastgele süreksiz elyaf takviyeli kompozit malzemeler

 Yönlendirilmiş süreksiz elyaf takviyeli kompozit malzemeler 2. Parçacık takviyeli kompozit malzemeler

 Büyük parçacık takviyeli kompozit malzemeler

 Küçük parçacık takviyeli kompozit malzemeler 3. Yapısal kompozit malzemeler

 Tabakalı kompozitler

 Sandviç kompozitler

Kompozitlerde parçacık takviyesi, elyaf takviyesinden daha az etkili bir güçlendirme aracıdır.

Partikül takviyeli kompozitler, esas olarak sertlik değerinde artış elde eder. Aynı zamanda mukavemet ve tokluk değerlerinde artışlar da elde edebilir. Ancak her durumda, fiber takviyeli bir kompozitten elde edilebilecek kazanımlardan daha düşük özellikler sağlanmaktadır (Türkoğlu 2020).

Bu sebeple günümüzde çok fazla çeşit elyaf malzemesi bulunmaktır. Yüksek mukavemet değerleri ve düşük ısıl dirençleri sebebiyle en çok bilinen ve tercih edilen elyaf malzemesinden biri cam elyaflardır. Bor elyaflar, karbon elyaflar, aramid elyaflar vb.

diğer sık kullanılan elyaf malzemeleridir (Özer 2015).

24

Aşağıdaki Çizelge 2.2’de sık kullanılan elyaf malzemelerinin mekanik özellikleri verilmiştir:

Çizelge 2. 2. Bazı elyaf malzemelerin mekanik özellikleri (Aksoylu 2007) ELYAF Yoğunluk

(Mg.𝒎^−𝟑)

Elastisite Modülü (GPa)

Poisson Oranı Çekme Gerilmesi (GPa)

SiC 3 400 0,2 2,4

Bor 2,6 400 0,2 4

HM karbon 1,95 eksenel 380 - radyal 12 0,2 2,4

HS korbon 1,75 eksenel 230 - radyal 20 0,2 3,4

E-cam 2,56 76 0,22 2

Nicalon 2,6 76 0,2 2

Saffil 3,4 300 0,26 2

Selüloz 1 80 0,3 3

İnce ve tek yönlü elyaf takviyeli polimer matrisli yapıya genellikle katman denilmektedir.

Tabakalı kompozit malzemeler ise bu katman veya laminaların istetilen açılarda ve düzlemlerde üst üste yerleştirilerek laminat oluşturulmuş şeklidir. Kompozit yapının elastik özelliklerinin belirlenebilmesi için, her bir katmanın/tabakanın elyaf yönlenmesinin ve hacim oranın üniform olduğu ve bu sayede de yapının homojen olduğu varsayılmaktadır (Türkoğlu 2020).

2.2.3. Termoplastik kompozit malzemeler

Termoplastikler ısıtılarak yumuşatılıp şekil verilebilir hale geçen, soğutulduklarında katılaşsalar dahi tekrar ısıtıldıklarında yine kullanılabilen plastik malzemelerdir.

Termosetlerin aksine, ısıtma ve soğutulma işlemleri yapılarında sadece fiziksel değişim meydana getirir. Bu özellikleri sayesinde geri dönüştürülebilir üretim özelliği gösterirler (Paksoy 2008).

Günümüzde hafif konstrüksiyonlara yönelik uygulamalar arttırılmak istenmektedir.

Yüksek yük taşıma kapasitesiyle birlikte, hafif ve düşük maliyetli malzemelere olan ilgi

25

giderek artmaktadır. Bu noktada termoplastik kompozitler, metallerin çoğundan ve termosetlerden daha hafif bir yapıya sahip oldukları için otomotiv endüstrisi ve havacılık sanayisinde sıklıkla tercih edilmektedir. Termoplastik matrisli kompozitler, termoset kompozitlerle benzer mekanik özellikler göstermelerinin yanında üstün kimyasal dirence sahiptirler ve maliyetleri de daha uygundur. PP, PBT, PPS, PA, POM, TPU, vb. birçok uygulamada tercih edilen başlıca termoplastik matris malzemeleridir. Bu matris malzemeleri cam ve karbon gibi çeşitli fiberlerle ve tercihen özel uyumlaştırıcı ilaveleriyle takviyelendirilebilmektedir.

Bu termoplastik matris malzemeleri arasından PP (polipropilen); düşük fiyatı, iyi yorulma ve darbe mukavemeti ve iyi kimyasal direnci ile özellikle tercih edilmektedir.

Günümüzde homopolimer, blok-kopolimer ve rasgele-kopolimer olmak üzere PP’ nin üç temel çeşidi kullanılmaktadır (Baydar et al. 2012).

Tüm bu avantajlarının yanında termoplastiklerin iki temel dezavantajı vardır. Bu dezavantajlar üretiminde ısı ve basınç uygulamalarının yapılabilmesi için kaliteli donanım gerektirmesi ve elyafın termoset kompozit malzemelere oranla daha zor ıslanmasıdır.

Termoplastik kompozit malzemelerin üretimi sürekli fiber takviyeli kompozitler ve süreksiz fiber takviyeli kompozitler olarak ikiye ayrılır. Sürekli fiber takviyeli kompozit üretim teknikleri termo şekillendirme, şerit sarma, basınçlı döküm, otoklav ve diyafram şekillendirmedir. Süreksiz fiber takviyeli termoplastik kompozitler ise enjeksiyonla döküm ve üflemeli döküm teknikleriyle üretilir (Özer 2015).

Termoplastik Kompozit Malzemelerin Mekanik Özellikleri

Termoplastik malzemeler, mühendislik amaçlı termoplastikler ve genel amaçlı termoplastikler olarak ikiye ayrılırlar. Çizelge 2.3 ve 2.4’te bu termoplastiklerden bazılarının mekanik özellikleri verilmiştir.

26

Çizelge 2. 3. Genel amaçlı termoplastiklerin bazı özellikleri (Smith, Hashemi, and Presuel-Moreno 2019)

Malzeme Yoğunluk Çekme

Dayanımı

Darbe Dayanımı

(Izod)

Dielektrik Gücü

Maksimum Kullanım

Sıcaklığı (Yüksüz)

(g/𝐜𝐦^𝟑) (MPa) (J/m) (V/mm) (℃)

Polietilen

(düşük yoğunluk)

0,92-0,93 6,2-17,2 18912 82-100

Polietilen

(yüksek yoğunluk)

0,95-0,96 20-37,2 21,35-747,3 18912 80-120

Bükülmez PVC 1,49-1,58 51,7-62,1 53,38-298,9 110

Genel maksatlı PP 0,90-0,91 33-38 21,35-117,4 25610 107-150 Stiren akrilonitril

(SAN)

1,08 69-82,8 21,35-26,69 69935 60-104

Genel maksatlı (ABS) 1,05-1,07 40,7 320,28 15169 71-93 Genel maksatlı akrilik 1,11-1,19 75,9 122,7 17730-19700 54-110 Selüloz, asetat 1,2-1,3 20,7-55,2 133,45-213,52 9850-23640 60-104 Plitetrafloretilen 2,1-2,3 6,9-27,6 64,05-362,98 15760-19700 288

Çizelge 2. 4. Mühendislik amaçlı termoplastiklerin bazı özellikleri (Smith ve ark. 2019)

Malzeme Yoğunluk Çekme

Dayanımı

Darbe Dayanımı

Dielektrik Gücü

Maksimum Kullanım

Sıcaklığı (Yüksüz)

(g/𝐜𝐦^𝟑) (MPa) (J/m) (V/mm) (℃)

Naylon 6.6 1,13-1,15 62,1.-82,8 106,76 15169 82-150

Poliasetat 1,42 69 74,73 12608 90

Polikarbonat 1,2 62,1 640,56-854,08 14972 120

Polyester (PET) 1,37 71,7 42,7 80

Polyester (PBT) 1,31 55,2-56,5 64,05-69,39 23246-27580 120 Polifenilen oksit 1,06-1,10 53,8-66,2 266,9 15760-19700 80-105

Polisülfon 1,24 70,3 64,05 16745 150

Poliefenilen sülfür 1,34 69 16,01 23443 260

27

2.2.4. Sürekli elyaf takviyeli kompozit malzemeler

Sürekli lifler, kontrollü anizotropileri ve düşük yüzey boyutu ve kusurları nedeniyle mukavemet ve sertlik gibi özelliklerde genellikle maksimum değerlere ulaşan uzun liflerdir.

Sürekli elyaf takviyeli kompozitlerde yükün, çoğunlukla yükün yönü boyunca yönlendirilmiş elyaf tarafından taşındığı varsayılır. Sürekli elyaf takviyeler yapı içinde genellikle lif demeti, tek yönlü kumaş, farklı desenlerde dokunmuş kumaşlar veya örülmüş kumaş olarak kullanılmaktadır.

Elyafların matris içindeki yönelimleri kompozit malzemenin dayanımını belirleyen ana faktördür. Boylamasına yapılan dizilimde kompozite etki eden yük elyaflar ile aynı yönde olduğunda en yüksek dayanım değeri elde edilirken etki eden yükün elyaflar ile aynı doğrultuda olmaması, bir miktar farklı açıda olması bile, yapının dayanımında büyük düşüşlere neden olur (Türkoğlu, 2020).

Sürekli elyaf takviyeli kompozitlerde elyaf takviyesi temel olarak 3 farklı şekilde bulunur.

Sürekli elyaf kullanılarak geliştirilen karma yapılar içerisindeki elyaf yönelimleri, kompozit malzemelerin farklı yönlerdeki maruz kalacakları gerilimlere farklı tepkiler vermesine neden olmaktadır. Sürekli elyaf takviyeli kompozit malzemelerde genel olarak kullanılan elyaf yönelimleri Çizelge 2.5’te gösterilmiştir.

Çizelge 2. 5. Elyaf yönelimlerinin gösterilmesi (Yerleşen 2015)

Hacimsel Elyaf Oranı Oryantasyon Yönünde Arttıkça Mukavemet Artar.

Tek Yönlü Elyaf Oryantasyonu

Çift Yönlü Elyaf Oryantasyonu

Çok Yönlü Elyaf Oryantasyonu

Takviye Türü: Sürekli Elyaf Sarma.

Üretim Şekli: Pultrizyon, Sıkıştırmalı Kalıplama.

Takviye Türü: Dokuma Cam Elyafı, Katmanlı Üretim.

Üretim Şekli: Filaman Sarma, Film İstifleme, Sıkıştırmalı Kalıplama

Takviye Türü: Çok yönlü örme, Katmanlı Üretim.

Üretim Şekli: Sıkıştırmalı kalıplama, Film İstifleme.

28

Tüm bu özellikler göz önüne alındığında sürekli elyaf takviyeli termoplastik esaslı kompozit malzemeler ise günümüz endüstrisinde sıklıkla tercih edilen malzemeler arasında yer almaktadır.

Termoplastik matrisli sürekli elyaf takviyeli malzemeler sahip oldukları yüksek spesifik rijitlik ve düşük ağırlık avantajlarıyla birlikte, havacılık, makine ve otomotiv endüstrisindeki kullanım alanını gittikçe genişletmektedir. Özellikle otomotiv endüstrisinin hedeflediği düşük yakıt tüketimine sahip araçların üretimi konusunda ihtiyaç duyduğu hafifletme çalışmaları kapsamında büyük bir kullanım potansiyeline sahiptir (Yerleşen 2015).

2.3. Yapıştırıcı Karakterizasyonu

Uzun yıllardır iki malzemeyi birleştirmek için birçok yöntem (kaynak, vidalama, perçinleme, yapıştırma vb.) kullanılmaktadır. Ancak diğer birleştirme yöntemlerine göre daha kolay uygulanabilir ve hafif olduğundan özellikle kompozit malzemeler için günümüzde en çok tercih edilen birleştirme yöntemi yapıştırma ile birleştirmedir. Diğer birleştirme yöntemleri kompozit malzemelerde kolaylıkla delaminasyon olmasına sebep olabildiği için tercih edilmemektedir.

Yapıştırıcı ile birleştirme yönteminde yapıştırıcının mekanik dayanımları yapıştırılacak olan yüzeylere/malzemelere göre farklılık göstermektedir. Bu sebeple kullanılacak malzemeye göre kullanılacak yapıştırıcının karakterize edilmesi gerekmektedir. Bu yapıştırıcı karakteristik özellikleri ise özel geliştirilmiş standartlar ve bu standartlar doğrultusunda yapılan testler ile bulunmaktadır. Genel bağlamda yapıştırıcı karakterizasyonu için aşağıdaki test yöntemleri kullanılmaktadır:

 Yapıştırıcı malzeme mekanik testi (bulk testi)

 Tek nokta bindirme testi (single lap joint - SLJ)

 Çift taraflı ayırma testi (double cantilever beam - DCB)

 Uç çentikli bükülme testi (end notched flexure-ENF)

29

2.3.1. Yapıştırıcı malzeme mekanik testi (bulk testi)

Yapıştırıcı malzeme mekanik testi, diğer adıyla bulk testi, yapıştırılacak malzemenin etkisi olmadan yapıştırıcının mekanik dayanımını bulmak için yapılan testtir. EN ISO 527-2 standardı kullanılarak hazırlanan numuneler doğrusal bir yük altında çekme testine tabii tutulur ve sonucunda yapıştırıcının elastisite modülü, poisson oranı gibi mekanik özellikleri elde edilir.

Şekil 2. 19. EN ISO 527-2 standardına göre hazırlanan bulk testi numunesi

2.3.2. Tek nokta bindirme testi (SLJ testi)

Tek nokta bindirme testi yapıştırıcının kayma dayanımını ölçmek için yapılan testtir.

Sonuçlar bindirme uzunluğu, malzeme mekanik özellikleri ve malzeme kalınlığı parametrelerine bağlıdır.

ASTM D1002 standardı kullanılarak hazırlanan numunelere çekme testi yapılır. Test sonucunda kuvvet- deplasman grafikleri elde edilir.

30

Şekil 2. 20. ASTM D1002 standardına göre hazırlanan SLJ numunesi boyutları

Tek nokta bindirme testi sonrasında karşılaşılabilecek hasar tiplerinden bazıları Şekil 2.21’de verilmiştir. Test sonucunda hasarlar incelendiğinde ayrılma yapıştırıcı ve malzeme arasından gerçekleşmiş ise yapışmanın iyi olmadığı sonucu çıkarılır (Şekil 2.21.a). Ayrılma yapıştırıcıdan olmuşsa malzeme-yapıştırıcı arasındaki yapışma mukavemetinin yapıştırıcının mukavemetinden daha yüksek olduğu şeklinde bir yorum yapılabilir (Şekil 2.21.b). Veya yapıştırıcıda hiçbir ayrılma olmadan malzeme hasara uğramışsa bu yapışmanın mükemmel olduğu anlamına gelir (Şekil2.21.c).

Şekil 2. 21. Yapıştırıcı hasar incelenmesi (Banea and Da Silva 2008)

31

Test sonrası kayma gerilmesi Denklem 2.23’deki gibi hesaplanır:

Ʈ

=

𝑙.𝑏 (2.23)

Ʈ_𝐚𝐯: Ortalama Kayma Gerilmesi

𝐏_𝐦𝐚𝐱: Numuneye Uygulanan Maksimum Yük 𝒍: Yapıştırıcı Boyu

𝒃: Yapıştırıcı Genişliği (Silva et al. 2012)

2.3.3. Çift taraflı ayırma testi (DCB testi)

Çift taraflı ayırma testi çekme yükleri altındaki yapıştırıcının kırılma enerjisini (mod1) incelemek için yapılır. Yapıştırılacak malzemeye göre standartlar ve kuvvet bölgesi değişmektedir. Örneğin çelik bir malzeme için DCB numune kalınlığı yaklaşık 10 mm seçilirken kompozit bir malzeme için bu kalınlık 2 mm’ye düşmektedir. Dolayısıyla çelik malzemede çenelere bağlamak için gerekli çapta delikler açılabilmektir. Kompozit malzemede ise Şekil 2.22’ de görüldüğü gibi ayrı bir metal malzeme ile bağlantı elemanı tasarlanıp üretilmeli ve çenelere bağlanabilmesi için kompozit malzemeyle birleştirilmelidir. Burada bağlantı elemanını kompozit malzemeyle birleştirirken kullanılacak yapıştırıcının mekanik özelliklerinin karakterizasyonu yapılan yapıştırıcının mekanik özelliklerinden yüksek değerlerde olmasına dikkat etmek gerekir.

Kompozit malzemeler incelendiği için ASTM D5528 standardı referans olarak alınmıştır.

Şekil 2.22’ de gösterilen boyutlarda üretilen numuneler çeşitli aparatlarla çekme cihazına bağlanarak test gerçekleştirilir. Test sonucunda kuvvet- deplasman grafikleri alınarak maksimum kuvvet elde edilir.

32

Şekil 2. 22. ASTM D5528 standardına göre hazırlanan DCB numunesi boyutları

Test sonucu elde edilen maksimum kuvvet ile Mod I kırılma enerjisi Denklem 2.24 ile bulunur:

𝐺

=

2][3.𝑎²+ℎ²]

𝐸.𝐵².ℎ³ (2.24)

𝑷_𝒎𝒂𝒙: çatlağın büyümeye başladığı yük (N)

a: çatlak uzunluğu (yük hattından sabit çatlak ucuna kadar olan mesafe) (mm) E: elastisite modülü (N/mm2)

B: yapıştırıcının genişliği (mm)

h: yapıştırıcı yüksekliği (mm) (Silva et al. 2012)

2.3.4. Uç çentikli bükülme testi (ENF testi)

Uç çentikli bükülme testi yapıştırıcının kırılma tokluğunu (mod2) bulmak için yapılan üç nokta eğilme testleridir. Kompozit malzemeler için ASTM D7905 standardı kullanılarak elde edilen numuneler üç nokta eğilme testine tabii tutulur ve sonucunda kuvvet- deplasman grafikleri elde edilerek maksimum kuvvet değeri ile hesaplamalar yapılır.

33

Şekil 2. 23. ASTM D7905 standardına göre hazırlanan ENF numunesi boyutları

Test sonucunda kırılma enerjisinin bulunması ile ilgili iki önemli yöntem vardır:

1. Test sonucunda elde edilebilecek olan kuvvet- deplasman grafiği ile kamera aracılığıyla kaydedilen çatlak uzunluğunun çakıştırılarak R eğrisi elde edilir. Bu eğri kırılma enerjisi ile çatlak uzunluğu grafiğinin eğrisidir ve bu grafikten kırılma enerjisi bulunabilir. Çatlak izlemesine müsaade edecek kadar yavaş hızdaki deney gerçekleşirken kamera yardımıyla çatlak uzunluğu kaydedilir. Kameranın kayıt süresiyle kuvvet- deplasman grafiğinin süresinin eşit olması önemlidir.

2. Eşdeğer kırılma uzunluğuna göre kırılma enerjisi Denklem 2.25’deki gibi hesaplanır:

𝐺

=

16.𝑏²𝐸ℎ³ (2.25)

Denklemi, test sırasında çatlak uzunluğu ölçüsüne dayanır, bu da sürtünme ile kayma tarafından meydana gelen yayılma nedeniyle çok zor olabilir. Ayrıca bu yöntemler, hasarın mevcut enerjinin bir kısmını emen plastikleştirme ve mikro zorlama ile meydana geldiği çatlak ucundaki FPZ'yi (Fracture Process Zone) hesaba katmamaktadır. FPZ etkisini dahil etmek için, yayılma sırasında gerçek çatlak uzunluğunda bir düzeltme düşünülmüştür (Denklem 2.26):

34

𝐺

=

16.𝑏²𝐸ℎ³

𝑎

=

16.𝑏²𝐸ℎ³

[

𝐶_{0𝑐𝑜𝑟𝑟}

𝑎

+

3

(

𝐶_{0𝑐𝑜𝑟𝑟}

− 1)𝐿

]

𝐶

= 𝐶 −

10𝐺𝑏ℎ (2.27)

𝑷_𝒎𝒂𝒙: çatlağın büyümeye başladığı yük (N)

a: çatlak uzunluğu (yük hattından sabit çatlak ucuna kadar olan mesafe) (mm) E: elastisite modülü (N/mm2)

b: numune genişliği (mm)

h: yapıştırılan malzeme yüksekliği (mm) 𝒂_𝒆 : eşdeğer kırılma uzunluğu (mm) C: esneklik (mm/N)

L: iki mesnet arası uzaklığın yarısı (mm) (Silva et al. 2012)

35 3. MATERYAL VE YÖNTEM

3.1. Yapıştırıcı Karakteristik Özelliklerinin (Cohesive Zone Parametrelerinin) Bulunması

3.1.1. Kalıp hazırlama ve üretimi

Kullandığımız kompozit malzeme çok ince bir kalınlığa (0.24 mm) sahip olduğu için parçaların üst üste birleştirerek kalınlaştırılması gerekmektedir. Bunun için Şekil 3.1’deki gibi bir kalıp hazırlanmış ve tek seferde bir set numune oluşturmak için tasarım yapılmıştır.

Şekil 3. 1. Kalıp tasarımı

Ara kısımdaki sac parçalar 1,2 ve 3 mm kalınlığında olmak üzere üç ayrı boyutta üretilmiştir. Alt ve üst kalıplar ise yine istenilen boyutlarda kesilerek alt kalıba merkezlemeyi sağlaması amacıyla sıkı geçme olacak şekilde mil eklenmiştir.

36

Şekil 3. 2. Üretilmiş kalıp parçaları

3.1.2. Katmanlı malzeme oluşturma

Katmanlı malzeme oluşturma işlemi aşağıdaki işlem adımları izlenerek oluşturulmuştur:

 Malzemenin istenilen boyutlarda 0 ve 90 derece elyaf doğrultusunda kesilmesi

Şekil 3. 3. Kesilen kompozit malzemeler

 Malzemenin üzerindeki yapışmayı engelleyici yağ vb. maddeleri gidermek için kesilen parçalar aseton ile yıkanır ve kurutulur.

37

Şekil 3. 4. Aseton ile yıkanarak kurumaya bırakılan malzemeler

 Malzemenin eridiğinde kalıba yapışmaması için alt üst kalıplar ile sac levha arasına 0.25 mm kalınlığındaki yüksek ısı dayanımı olan teflon kumaş konulur.

Aseton ile yıkama işleminden sonra kuruyan malzemeler [0/90]_2𝑠 simetrik dizilim ile kalıp içerisine yerleştirilir. Uygun ve düzgün yerleşimden sonra üst kalıp kapatılarak fırınlamaya uygun hale getirilir.

Şekil 3. 5. Fırın içerisine yerleştirilmiş kalıp